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COMPRESSORESE BOMBAS DE
VÁCUOA
PROF. RICARDO CRUZ
EST/UEA – rcruz@uea.edu.br
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CLASSIFICAÇÃO E TIPOLOGIA
DOS
COMPRESSORES
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CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS
MÁQUINAS TÉRMICAS GERADORAS
• Compressor: quando >
• Bomba de vácuo: quando <
• Ventilador: quando ≈
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CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES
Alternativos de êmbolo
•
Volumétricos
Pás retas deslizantesRotativos Parafusos casados
Lóbulos casados
Centrífugos (trajetória radial) • Dinâmicos Axiais (trajetória axial)
Ejetores (fluxo puro de gases)
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CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES
Tipo
Máxima
pressão de
descarga
[bar]
Máxima
relação de
compress.
por estágio
Máxima
relação de
compress.
por máquina
Máxima
vazão
medida na
sucção
[m³/min]
VolumétricosAlternativos
2 400a
3 50010 100 a 150
Rotativos 7 a 18 4 8 1 400
DinâmicosCentrífugos 200 a 400 3 a 4,5 8 a 10 5 700
Axiais 5 a 10 1,2 a 1,5 5 a 6,5 60 000
Fonte: adaptado de “Compressores de Ar Comprimido” (dispon. em : http://dc146.4shared.com/doc/
cF-KR3x5/preview.html. Acessado: 11/01/2013).
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COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS
• Alternativos de êmbolo:
• Simples estágio (1 cilindro);
• Duplo estágio (2 cilindros);
• Simples efeito ( só na cabeça
do pistão);
• Duplo efeito (na cabeça e
debaixo do pistão);
• Usados com qualquer gás.
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COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS
• Alternativos de êmbolo:
• Alguns tipos comuns para refrigeração.
AUTOMOTIVO MÉDIA CAPACIDADE (< 50 TR)
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COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS
• De parafusos e lóbulos:
• Simples estágio (1 par rotor);
•
Duplo estágio (2 pares rotores);
• Só usados com ar (barulhentos).
PARAFUSO
LÓBULO
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COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS
• De pás:
• Em geral, só 1 estágio;• Só usados com ar (baixas vazões);•
Geometria muito usada em bombas de vácuo industriais.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
•Radiais:
• 1 ou vários estágios = ° á × (/á);• Usados com ar e gases refrigerantes;• Geometria também usada em bombas hidráulicas.
1 ESTÁGIO VÁRIOS ESTÁGIOS
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COMPRESSORES DINÂMICOS
•Radiais:
• Grande aplicação: turbinas propulsoras até 10 MW.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
•Axiais:
• Só vários estágios = ° á × (/á);
• Só usados com ar;• Geometria também usada em bombas centrífugas.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
•Axiais:
• Grande aplicação: turbinas propulsoras acima de 10 MW.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
•Ejetores
termocompressores
):
• Não tem partes móveis; dependem somentede dois gases ( gás a alta e gás a baixa pr.);
• O gás de baixa pressão é comprimido às cus
tas da expansão do gás de baixa pressão;• O gás de alta pressão comum é o vapor;
• Após a expansão os gases se misturam;
• Fornecem baixas vazões e baixas pressões;
• O lado de sucção pode operar em série pa-ra alcançar baixas pressões (por ex., 2 eta-
pas10 mmHg, 5 etapas0,05 mmHg );
• Tem baixa eficiência ( se justificam quando o vapor é barato);
• Não permitem variação de vazão: é “tudo ou nada”.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
•
Ejetores
termocompressores
): • Na figura abaixo se mostram imagens internas da variação da
pressão e da velocidade dos gases misturados.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
• Ejetores para vácuo
• Abaixo, se exemplifica uma aplicação em série de um ejetor comuma bomba de vácuo. O processo se inicia pelo ejetor.
As curvas acima mostram qual é a vantagem deste arranjo:apesar da bomba de vácuo sozinha permitir maior vazão de suc-
ção, seu casamento com o ejetor permite baixíssimos vácuos.
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COMPRESSORES DINÂMICOS
• Ejetores
• Desempenho termodinâmico.
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ANÁLISE TERMODINÂMICA
DOS
COMPRESSORES
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
•Diagrama teórico dos compressores:
• A curva 1 - 2 podeseguir um dos trêsprocessos ao lado;
• O gás é idealizadoescoando continua-mente em regimepermanente (ou se-
ja: 1 ciclo/rotação);
• Então, o trabalho é:
=
(não é = vi
de M&S, Cap. 6, s. 6.9).
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
•Diagrama real dos compressores
• Na figura:
VA = válvula de admissão;VE = válvula de exaustão;
= pto. morto superior = pto. morto inferior = volume real aspirado
pelo êmbolo; = volume deslocado pe-
lo êmbolo;
= volume morto; = ponto mais à direita
do ponto 1 (devido o
aquecimento do gás
pelo cilindro); pontoonde se tem .
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
•Possíveis tipos de compressão:
Área à esquerda da curva pV : trabalhoconsumido na compressão.
Área abaixo da curva TS : calorrejeitado na compressão.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Possíveis trabalhos
gás ideal
)
• ISOTÉRMICO:
. ≡ . = ∙
[1]
A = , ∆ = . Logo, todo o = .
•
ISENTRÓPICO:
. =
−
− [2]
. = [2]
• POLITRÓPICO:
. =
−
− [3]
. =
− [3]
Os termos destas expressões são especificados nospróximos slides.
=
Para o ar:
= ,
Para o ar:
= ,
~ ,,
tab s 23)
A despeito das “qualidades” do isotérmi-
co e do isentrópico, o processo que maisse aproxima do trabalho real é o processo
politrópico.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
•
Eficiência volumétrica de 1 estágio de compressão
:
≡
= + ,
[4]
Onde: fator de perdas de carga na VA e VE, fugas por válvulas e anéisde segmento (varia de , a ,); ≡ razão de espaço morto,
varia de , (CP grandes) a , (CP pequenos); expoente politrópico(tabela abaixo, onde o termo “resfriado” é o caso do cilindro ser refrigera-
do); e , = (,./,.) razão de compressão real ( sl. 25).
• Eficiência mássica de 1 estágio:
á.
≡
[5]
Onde:
,≅
+
,
[5]
é a temperatura de sobreaquecmentodo gás produzido pelo cilindro ( sl. 20).
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Trabalho Real e Calor Dissipado de 1 Estágio de Compressão:
O trabalho é dado pela equação da politrópica [3], mas tendo emconta a razão de compressão real , , = (,./,.).
=
,
− [6]
E o calor dissipado, pela 1ª lei, prova-se, é dado como
. =
[7]
Onde: as pressões corrigidas por perda de carga, que ocorrem, respectiva-mente, no fim da compressão e no início da sucção, são estimáveis por
,. = + ∆ ≅ , [7] ,. = ∆ ≅ , [7] ;
[ ] massa de gás de cada ciclo; e expoente politrópico; [ . ] = ,/ – constante do gás, sendo [ ] a massamolecular do gás. Notar, um ciclo ocorre a cada rotação da manivela do CP.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Relação de pressões de estágios de compressão:
Mais de 1 estágio é usado quando se quer uma elevada; masisso também eleva e ;
Comprimindo por estágios, consegue-se reduzir o trabalho to-tal.As razões dos estágios , , ..., (na figura, = ), assumidas
iguais, são:
, =,
,.=
,
,. ,
, =,
,=
,
, ,
,
, =,.
,=
,.
,() ,
,. =,.
,.
[8]
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
•
Temperaturas rebaixadas em estágios de compressão
:
São obtida por resfriamento (ar ou água) num TC intermediário entredois estágios sucessivos. Assumindo ,á e , constantes (gás e
fluido de resfriamento), obtém-seas , da equação seguinte, pa-
ra o TC de resfriamento do gás: ,á =
= , ,(−) , [9]
mais a equação por estágio
,(−)
,= ,(−)
,
− [10]
Onde: [ ] vazão do gás; e
[ ] vazão do FR.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Trabalho e calor dissipado reais de estágios
:
, = ,()
−∙ ,.
[11]
., = ,−
− [12]
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Eficiência mecânica
:
. ≡.
.≅ , . + , [13]
Onde: .
trabalho indicado, igual a (ou ,); e .
potência efetiva consumida. A estimação logarítmica acima é sugerida por Costa (1978), para compressores até 100 cv (75 kW ). Como primeiraaproximação, Costa (1978) também sugere o valor . = , .
• Torque do compressor:
. = .
. [14]
Onde: [] rotação do motor que aciona o CP.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Potência consumida e taxa de calor dissipado reais de z
estágios de compressão:
Tendo determinado o trabalho , , a potência consumida,que é provida pelo motor que aciona o compressor, é
., = ,
. [15]
E a taxa de calor dissipado, consequentemente, é dada como
., = .,−
− [16]
Onde: [ ] vazão mássica do gás no CP.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Volume deslocado em um 1 estágio CP alternativos:
=
á.≡
[17]
Onde: [ ] vazão mássica; massa específica do gásna admissão; e e [] curso e diâmetro do êmbolo, limitados pelos
parâmetros seguintes.
i. Velocidade máxima do êmbolo – posição (figura):
,á. = = [18]
Onde: [] raio da manivela; [] rotação do CP; e
ii. Velocidade média do êmbolo – em 1 rotação (ou 1 ciclo):
= () = ,á. , [19]
O autor Silva (1978) recomenda: ,á. ≤ / e ≤ /.
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS
EXERCÍCIO PRA EXERCITAR:
Calcular um CP pra amônia, desde
a pressão 1,5 bar até a pressão
de 15 bar, resfriado a água,
assumindo:
• Número de estágios = ;
• Vazão de gás = /;
• Assumir a regra prática para a
vazão de água = , ;
• Rotação = ;
• Coeficiente = , ;
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PROCESSOS TERMODINÂMICOS